2. Semiconductores
Definición
Los semiconductores son elementos que
tienen una conductividad eléctrica
inferior a la de un conductor metálico
pero superior a la de un buen aislante.
El semiconductor más utilizado es el
silicio, que es el elemento más
abundante en la naturaleza, después
del oxígeno. Otros semiconductores son
el germanio y el selenio.
Posteriormente se ha comenzado a
emplear también el azufre. La
característica común a todos ellos es
que son tetravalentes, teniendo el silicio
una configuración electrónica s²p².
3. Tipos de Semiconductores
Semiconductor intrínseco
Es un cristal de Silicio o Germanio que forma Obviamente el proceso inverso también se
una estructura tetraédrica similar a la del produce, de modo que los electrones pueden caer,
carbono mediante enlaces covalentes entre sus desde el estado energético correspondiente a la
átomos, en la figura representados en el plano banda de conducción, a un hueco en la banda de
por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a valencia liberando energía. A este fenómeno se le
temperatura ambiente algunos electrones denomina recombinación. Sucede que, a una
pueden absorber la energía necesaria para determinada temperatura, las velocidades de
saltar a la banda de conducción dejando el creación de pares e-h, y de recombinación se
correspondiente hueco en la banda de valencia. igualan, de modo que la concentración global de
Las energías requeridas, a temperatura electrones y huecos permanece invariable. Siendo
ambiente, son de 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio "n" la concentración de electrones (cargas
y el germanio respectivamente. negativas) y "p" la concentración de huecos
(cargas positivas), se cumple que:
siendo ni la concentración intrínseca del
semiconductor, función exclusiva de la
temperatura y del tipo de elemento.
4. Tipo de semiconductores
Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. En los semiconductores, ambos
tipos de portadores contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una
diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al
movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al
desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos
próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección
contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de
conducción.
Estructura cristalina de un semiconductor
intrínseco, compuesta solamente por átomos de
silicio (Si) que forman una celosía. Como se
puede observar en la ilustración, los átomos de
silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la
última órbita o banda de valencia), se unen
formando enlaces covalente para completar ocho
electrones y crear así un cuerpo sólido
semiconductor. En esas condiciones el cristal de
silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo
aislante.
5. Tipo de semiconductores
Semiconductores dopados
Los semiconductores dopados se
forman añadiendo pequeñas
cantidades de impurezas a los
semiconductores puros. El
objetivo es modificar su
comportamiento eléctrico al
alterar la densidad de portadores
de carga libres.
Estas impurezas se llaman
dopantes. Así, podemos hablar
de semiconductores dopados. En
función del tipo de dopante,
obtendremos semiconductores
dopados tipo p o tipo n. Para el
silicio, son dopantes de tipo n los
elementos de la columna V, y tipo
p los de la III
6. Tipo de semiconductores
El número de átomos dopantes
necesitados para crear una
diferencia en las capacidades
conductoras de un semiconductor
es muy pequeña. Cuando se
agregan un pequeño número de
átomos dopantes (en el orden de
1 cada 100.000.000 de átomos)
entonces se dice que el dopaje es
bajo o ligero. Cuando se agregan
muchos más átomos (en el orden
de 1 cada 10.000 átomos)
entonces se dice que el dopaje es
alto o pesado. Este dopaje
pesado se representa con la
nomenclatura N+ para material
de tipo N, o P+ para material de
tipo P.
7. Tipos de materiales dopantes
Tipo N
Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la aparición de electrones
sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o
entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsénico y el Fósforo. De esta forma, no se
ha des balanceado la neutralidad eléctrica, ya que el átomo introducido al semiconductor es neutro,
pero posee un electrón no ligado, a diferencia de los átomos que conforman la estructura original, por
lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una
ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirán más electrones
que huecos, por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los últimos los minoritarios.
La cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de átomos de impurezas
introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el caso del Fósforo, se
dona un electrón.
8. Tipo de materiales dopantes
Tipo P
Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la formación de huecos sin
que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura. Los
átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrón. Suelen ser de
valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro,
por lo que no modificará la neutralidad eléctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres
electrones en su última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota, que tenderá a tomar
electrones de los átomos próximos, generando finalmente más huecos que electrones, por lo que
los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el
material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios será función directa de la cantidad de
átomos de impurezas introducidos.
El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta
un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón.
